潘 昆

（西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院現(xiàn)代設(shè)計(jì)與集成制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710072）

電磁閥是一種電磁控制的工業(yè)設(shè)備，用來控制流體的自動(dòng)化基礎(chǔ)元件，屬于執(zhí)行器的組成部分[1-2]。文章基于Maxwell電磁力仿真計(jì)算、ANSYS Workbench強(qiáng)度仿真、模態(tài)仿真和隨機(jī)振動(dòng)仿真等，從執(zhí)行機(jī)構(gòu)到防腐蝕設(shè)計(jì)研究直動(dòng)式電磁閥的設(shè)計(jì)方法。

1 電磁活門結(jié)構(gòu)與工作原理

電磁活門結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 電磁活門結(jié)構(gòu)圖

產(chǎn)品接到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)信號(hào)后接通電路，電磁鐵線圈通電產(chǎn)生電磁力，推動(dòng)銜鐵帶動(dòng)活門克服彈簧的彈簧力和O形圈的摩擦力向下運(yùn)動(dòng)，切斷管路中的引氣。當(dāng)產(chǎn)品斷電時(shí)，活門借助彈簧的彈力推動(dòng)銜鐵帶動(dòng)活門克服O形圈的摩擦力向上運(yùn)動(dòng)，活門打開。

2 電磁鐵設(shè)計(jì)計(jì)算與電磁力校核

文章采用洛倫茲法計(jì)算電磁力。電磁力在開啟的過程中需克服17 N的總反力。

2.1 電磁鐵設(shè)計(jì)計(jì)算

電磁鐵是一種通電產(chǎn)生電磁力的裝置，通過磁力推動(dòng)閥體，從而達(dá)到閥門的開啟和關(guān)閉。

2.1.1 確定線圈厚度和平均直徑

線圈厚度為[3]

式中：?為線圈骨架及絕緣厚度，取1 mm；D為線圈殼體內(nèi)徑，取28 mm；dc為骨架外徑，取15 mm。

根據(jù)式（1）可得，bk=5.5 mm。

線圈平均直徑為

代入數(shù)據(jù)可得，DCP=22.5 mm。

2.1.2 確定導(dǎo)線直徑

導(dǎo)線直徑為

式中：DCP為線圈平均直徑；ρ為銅導(dǎo)線的電阻率，約為0.017 5 Ω·mm2·m-1；IW為安匝數(shù)；U為線圈兩端的電壓。

代入數(shù)據(jù)可得，d=0.213 mm。查詢《漆包圓繞組線 第6部分：220級(jí)聚酰亞胺漆包銅圓線》（GB/T 6109.6—2008），取相近的規(guī)格d=0.224 mm，外徑為0.266 mm，電阻為0.433 8 Ω·m-1。

2.1.3 確定線圈匝數(shù)

線圈匝數(shù)為

式中：J為電流密度。該產(chǎn)品工作方式為反復(fù)短時(shí)工作制，J應(yīng)取5～12，此處取J=10。代入數(shù)據(jù)，可得W=1 305。

2.1.4 確定線圈高度

線圈高度為[4]

式中：W為線圈匝數(shù)；d為導(dǎo)線直徑；fk為線圈填充系數(shù)，手工繞線取0.65。代入數(shù)據(jù)，可得lk=26.8 mm，取27 mm。

通過計(jì)算，得到電磁鐵的設(shè)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 電磁鐵設(shè)計(jì)參數(shù)

2.2 電磁力校核

2.2.1 在最低啟動(dòng)電壓下校核電磁力

氣隙的磁通量為[5]

式中：δ為銜鐵行程；μ0為空氣磁導(dǎo)率；IW取915.7安匝。

電磁力為

式中：α為修正系數(shù)，取4；S為磁芯面積。

結(jié)合式（6）和式（7），可得F=35.3 N，大于總反力17 N，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.2 基于Ansoft Maxwell軟件校核電磁力

Ansoft Maxwell作為著名的商用低頻電磁軟件，在各個(gè)工程領(lǐng)域和參數(shù)優(yōu)化方面得到廣泛應(yīng)用。

在本模型中，首先添加空氣域?qū)a(chǎn)品包裹。其次，將動(dòng)靜鐵芯和線圈盒設(shè)置為導(dǎo)磁材料1J22，外殼體、線圈架及導(dǎo)線等非導(dǎo)磁體設(shè)置為鋁合金材質(zhì)。最后，提取線圈中面，添加激勵(lì)0.7 A。經(jīng)電磁仿真分析，電磁鐵的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布，如圖2所示。常溫下的電磁力為32.2 N，大于總反力17 N，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖2 磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

3 電磁活門強(qiáng)度仿真與動(dòng)力學(xué)分析

3.1 強(qiáng)度仿真

通過ANSYS Workbench 軟件對(duì)電磁活門進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到386 319個(gè)節(jié)點(diǎn)，179 279個(gè)單元。對(duì)其管嘴施加約束，計(jì)算產(chǎn)品最大壓力下的變形量，如圖3所示。最大變形處為活門組件，變形量為8.064 2×10-4mm，數(shù)值較小，能夠滿足強(qiáng)度要求。

圖3 總體變形圖

3.2 動(dòng)力學(xué)分析

動(dòng)力學(xué)分析就是分析機(jī)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下的運(yùn)動(dòng)情況。文章的模態(tài)分析設(shè)定為前6階，求得電磁活門的前6階固有頻率，如圖4所示。

圖4 各階模態(tài)頻率表

在分析模態(tài)的基礎(chǔ)上，對(duì)電磁活門施加飛機(jī)中后機(jī)身區(qū)頻率振動(dòng)譜，分析產(chǎn)品在此頻率作用下的X、Y、Z方向的振動(dòng)位移，如圖5～圖7所示。

圖5 X軸方向位移圖

圖6 Y軸方向位移圖

圖7 Z軸方向位移圖

由圖5～圖7可知：電磁活門在X軸方向的最大位移為10.573 0×10-5mm；在Y軸方向的最大位移為5.856 8×10-6mm；在Z軸方向的最大位移為6.920 2×10-5mm。可見，電磁活門的振動(dòng)位移較小，能夠滿足振動(dòng)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)電磁活門進(jìn)行密封結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以避免濕空氣進(jìn)入電磁殼體。利用Maxwell軟件校核產(chǎn)品的電磁力和電磁鐵的設(shè)計(jì)計(jì)算。經(jīng)過計(jì)算可知，產(chǎn)品的電磁力可以滿足活門運(yùn)動(dòng)力的要求。該計(jì)算方法和仿真分析對(duì)后續(xù)電磁活門的設(shè)計(jì)具有借鑒意義。基于ANSYS Workbench軟件對(duì)電磁活門進(jìn)行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析，結(jié)果表明，產(chǎn)品振動(dòng)條件下的變形量較小，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。